磁路磁阻对电力变压器直流偏磁的影响

党艳阳 张欣宜

【摘 要】研究表明：磁路磁阻对电力变压器性能具有较大影响，磁阻大小能够在一定程度上改变电力变压器允许通过直流的能力。基于此，本文在不同直流偏磁下，对两台不同磁阻大小的单相四柱电力变压器进行了仿真研究。给出了不同直流偏磁下变压器的磁密分布。为从设计角度提高电力变压器抗直流偏磁能力奠定了基础。

1.引言

一方面，随着全世界范围内高压大容量长距离直流输电系统的应用，以大地返回方式运行的直流输电系统接地极电流将通过变压器中性点进入到變压器绕组；另一方面，太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用引起的地磁风暴，进而产生的地球表面电位梯度感生的地电流也会通过变压器中性点进入到变压器绕组。当直流电流进入到变压器绕组时，将发生直流偏磁现象，导致变压器铁心每隔半个周期磁饱和、励磁电流增大、铁心漏磁增大、金属结构件损耗及温升增加等后果[1-8]。

因此，直流偏磁问题引起了国内外学者的广泛关注。文献[9]对一台单相电力变压器在不同直流偏磁下的励磁电流展开了仿真及实验研究。文献[10]采用有限元法对变压器的涡流损耗进行了仿真计算。文献[11]分别采用在一次侧和二次侧注入直流的方法，通过场路耦合法对单相电力变压器的直流偏磁问题进行了对比分析，给出了空载及负载下的电流波形。文献[12]采用6台单相变压器构成三相组式变压器，对其在不同接线状态下的输出电流进行了测量及谐波分析，并将计算值与实验值进行了对比。文献[13] 基于产品级叠片铁心模型，对变压器在直流偏磁下的励磁电流进行了仿真及实验研究。

在直流偏磁抑制方面，国内外学者采取了一系列的措施对直流偏磁进行了抑制（中性点串电阻法、中性点串电容法、中性点反向直流电流注入法、电位补偿法、交流输电线路串电阻、改善电网中直流电流的分布等）[14-15]。传统的抑制方式都是在外部添加补偿装置，虽然能够对变压器偏磁电流进行一定的抑制，但增加了电力系统的复杂程度，改变了电力变压器的有效接地，这给电力系统带来了不安全因素。目前看，从变压器设计上采取怎样的措施抑制直流偏磁的影响，尚未能很好地解决。

本文应用场路耦合法对两台不同磁阻大小的电力变压器在直流偏磁下的空载特性进行了仿真与实验分析，给出了不同直流偏磁下的空载电流、磁密分布、磁化曲线等，研究方法及结论可有效指导电力变压器设计。

2.直流偏磁下电力变压器空载特性研究

研究表明：变压器耐受直流偏磁的能力与其自身的结构有关，不同结构的变压器对直流偏磁的反应不同，首先采用场路耦合法对两台不同磁阻大小的单相四柱电力变压器空载特性进行了分析与计算。图1所示为Idc=2.5A时小磁阻电力变压器磁密分布。图2所示为Idc=2.5A时大磁阻电力变压器磁密分布。

3.结论

本文通过场路耦合法对160kVA（2000V/400V）不同磁阻大小的两台电力变压器在直流偏磁条件下的励磁电流、磁密分布、B-H曲线等进行了仿真研究。从仿真结果中可以看出，改变电力变压器铁心的磁阻对直流偏磁在变压器中的分布具有较大的影响。电力变压器铁心磁阻越大允许通过的直流偏磁越强，但磁阻的增大将使电力变压器的空载损耗增加。因此，在设计电力变压器时，应综合考虑电力变压器的效率及允许通过的直流偏磁大小。

参考文献：

[1]李泓志，崔翔，刘东升，卢铁兵，程志光.直流偏磁对三相电力变压器的影响[J].电工技术学报.2010，25（5）：89-96.

[2]李长云，李庆民，李贞.直流偏磁条件下电流互感器的传变特性[J].中国电机工程报.2010.30（19）：127-132.

[3]彭晨光，刘连光.基JA理论的750K自耦变压器直流偏磁研究[J].华东力.2010，38（3）：349-353.

[4]赵小军，李琳，程志光，鲁君伟，焦翠坪.应用谐波平衡有限元法的变压器直流偏磁现象分析[J].中国电机工程学报.2010，30（21）：103-108.

[5]李泓志，崔翔，卢铁兵，程志光，刘东升，焦翠萍.变压器直流偏磁的电路-磁路模型[J].中国电机工程学报.2009，29（27）：119-125.

[6]Biro O，Ausserhofer S，Buchgraber G.Prediction of magnetizing current waveform in a single-phase power transformer under DC bias [J].Institution of Engineering and Technology，Science，Measurement and Technology，2007，1（1）：2-5.

[7]郭满生，梅桂华，刘东升等.直流偏磁条件下电力变压器铁心B-H曲线及非对称励磁电流[J].电工技术学报，2009，24（5）：46-51，59.

[8]赵小军，李琳，程志光，鲁君伟，卢铁兵，刘兰荣，范亚娜.基于直流偏磁实验的叠片铁心磁化特性分析[J].电工技术学报，2011，26（1）：7-13.

[9]BíróO，Au?erhofer S，Buchgraber G，et al.Prediction of magnetizing current waveform in a single phase power transformer under DC bias[J].IET Science，Measurement and Technology，2007，1（1）：2-5.

[10]Yao Y，Koh C S，Ni G，et al.3-D nonlinear transient eddy current calculation of online power transformer under DC bias[J].IEEE Transactions on Magnetics，2005，41（5）：1840-1843.

[11]潘超，王忠泽，李海龙，刘连光等.基于瞬态场路耦合模型的变压器直流偏磁计算[J].电工技术学报.2013，28（5）：174-181.

[12]李晓萍，文习山，蓝磊，张宇，樊亚东，刘宗喜，郭磊.单相变压器直流偏磁试验与仿真[J].中国电机工程学报，2007，27（9）：33-40.

[13]赵志刚，刘福贵，张俊杰，程志光等.直流偏磁条件下变压器励磁电流的实验与分析[J].电工技术学报，2010.25（4）：71-76.

[14]姚缨英.大型电力变压器直流偏磁现象的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2000.

[15]苑舜，王天施.电力变压器直流偏磁研究综述[J].高压电器.2010，46（3）：83-87.

（作者单位：1.特变电工沈阳变压器集团有限公司；2.西安供电公司长安分局）